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Design-Tipp Leistung und Zuverlässigkeit von SiC-Schottky-Dioden

Autor / Redakteur: Thomas Barbieri * / Gerd Kucera

SiC-Schottky-Dioden haben seit der Markteinführung vor gut 10 Jahren eine deutliche Weiterentwicklung erfahren. Hinsichtlich Zuverlässigkeit und Performance gibt es allerdings erhebliche Unterschiede.

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Bild 1: Ein typisches SiC-Substrat; die Metallschicht der Schottky-Barriere weist an der Oberfläche Defekte auf.
Bild 1: Ein typisches SiC-Substrat; die Metallschicht der Schottky-Barriere weist an der Oberfläche Defekte auf.
(Bild: Wolfspeed/Cree)

Bei Schottky-Dioden, die als Trägermaterial Siliziumkarbid (SiC) verwenden, haben Entwickler die Wahl zwischen Modellen mit unterschiedlichen Qualitäts- und Leistungsdaten. Die ersten Versionen solcher Bausteine basierten auf einer einfachen Schottky-Barrieren-Dioden-Struktur (SBD).

Allerdings haben diese Komponenten in der Praxis eine Reihe von Schwachpunkten. So muss eine SiC-Schottky-Diode hohe Sperrvorspannungs-Werte von mehr als 300 V blockieren. Die SiC-SBD der ersten Generationen wiesen jedoch im Laufe der Zeit immer höhere Leckströme auf, die letztlich zu einem Ausfall der Dioden führen konnten.

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Eine der Hauptursachen dieser Fehler ist die einfache Struktur der Dioden. Das Grundelement einer Schottky-Barriere-Diode ist ein Metall-Halbleiter-Übergang (Bild 1). Zu erkennen ist, dass Unebenheiten und kleine Schäden der epitaktischen SiC-Schicht strukturelle Defekte verursachen können, wenn die Schottky-Metallschicht aufgebracht wird.

Außerdem besitzen die Schottky-Metallschicht und die der SiC-Halbleiter auf atomarer Ebene unterschiedlichen Gitter- und Kristallstrukturen. Die Folge sind Inkongruenzen auf der Gitter-Ebene am Übergang. Dadurch wiederum können in der gesamten epitaktischen SiC-Schicht Verwerfungen auftreten, die sich an der Oberfläche in Form von Vertiefungen äußern.

Alle diese Faktoren können zu Defekten am Übergang der Diode führen. An diesen Punkten wiederum konzentrieren sich elektrische Felder, wenn an der Komponente eine Sperrvorspannung anliegt.

Im Vergleich zu anderen Bereichen treten an diesen defekten Stellen der Oberfläche deutlich höhere Leckströme auf, die wiederum zu erhöhten Temperaturen führen. Das Ergebnis sind Hot Spots, die mit der Zeit abnehmen. Dadurch nimmt der Leckstrom solange zu, bis die Komponente nicht mehr in der Lage ist, die Spannung zu sperren.

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